树脂基复合材料的应用与发展.doc

树脂基复合材料的应用与发展姓 名 （材料与冶金学院， 金属材料工程10-1班 ，1012345678）摘要：树脂基复合材料是以树脂为基体，纤维或其织物为增强体的复合材料。是航空航天研究中一种不可缺少的复合材料。本文通过对树脂基复合材料的各方面的介绍，浅谈自己对树脂基复合材料的些许了解以及本人的一些看法和建议，旨在呼吁大家了解树脂基复合材料，以便有益于其在未来的研究和发展。关键字：树脂基复合材料、应用、发展。正文：1 树脂基复合材料的基本概念 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。是具有所含材料的优点和特点的一种混合物，应用广泛，功能强大。树脂基复合材料是复合材料中的一种基体材料，其所涉及范围之广大，功能作用之强大，世人有目共睹。由于树脂基复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展2 树脂基复合材料的成型方法树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。现且以手糊成型、RTM成型、喷射成型为例作简单介绍。2.1 手糊成型目前我国还是以手糊成型为主，手糊成型在树脂基复合材料成型中约占80%。其工艺过程是依次在模具表面上施加脱模剂 、胶衣、一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)、一层纤维增强材料，纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。 树脂因聚合反应，常温固化，可加热加速固化。2.1.1 手糊成型工艺的优点a)不受尺寸，形状的限制;b)设备简单，投资少;c)工艺简单;d)可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求;e)产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。2.1.2 手糊成型的缺点a)属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定;b)玻纤含量不可能太高，树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂量高，力学与热性能受限制;c)手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。2.2 RTM成型树脂传递模塑（简称）是将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法，是近年来发展迅速的适宜多品种、中批量、高质量先进复合材料制品生产的成型工艺。2.2.1 RTM成型的特点 a)具有无需胶衣涂层即可为构件提供双面光滑表面的能力； b)能制造出具有良好表面品质的、高精度的复杂构件； c)成型效率高，适合于中等规模复合材料制品的生产；便于使用计算机辅助设计进行模具和产品设计；成型过程中散发的挥发性物质很少，有利于身体健康和环境保护。2.2.2 RTM成型存在的问题 a)树脂对纤维的浸渍不够理想，制品里存在空隙率较高，干纤维的现象； b)制品的纤维含量较低（一般为）； c)大面积、结构复杂的模具型腔内，模塑过程中树的流动不均衡，不能进行预测和控制；对于制造大尺寸复合材料来说，模具成本高，脱模困难等。2.3 喷射成型喷射成型是一种半机械化操作,生产效率比手糊成型高24倍,劳动强度低,尤其对于大制品,其优点更为突出。采用喷射成型的制品有游艇、船舶、汽车外壳和槽罐、家具、浴缸、衬里等。喷射成型无搭缝,制品整体性好,可涂敷胶衣树脂。模具用10001500#水磨砂纸打磨后进行精抛光成镜面模具。脱模剂选用脱模蜡或液体PVA。涂蜡时用纱布包蜡少许，在模具表面薄而均匀地擦一遍。待干燥后用干净的纱布擦光。按照相同的方法再涂一遍，注意蜡层越薄越好，但不能漏涂。喷射成型时应做到：a) 检查枪及管路有无污染，坦看枪头是否通畅，在喷射之前检查空气压力，并调节到所需要的压力值；b) 喷射前模具上喷一层树脂，然后开动切割器，开始喷射纤维和树脂混合物；c) 注意喷枪移动均匀，在要留有空缺，防止漏喷，有能走弧线 ，两行之间的重叠区要小于1/3，保证每层压平且厚度均匀；d) 在喷射第一层及最后一层时，喷射的厚度要稍薄一些，以确保制品表面光滑。3 树脂基复合材料的分类与应用3.1 树脂基复合材料的分类 固性树脂是指在加热、加压下或在固化剂、紫外光作用下，进行化学反应，交联固化成为不溶不熔物质的一大类合成树脂；而热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物，这一类树脂的特点是遇热软化或熔融而处于可塑性状态，冷却后又变坚硬，而且这一过程可以反复进行。在高分子领域中通常用它们来制作各种各样的树脂基复合材料，树脂基的复合材料主要有由热固性树脂合成的复合材料和由热塑性树脂合成的复合材料。 1）由热固性树脂合成的复合材料主要有：环氧树脂复合材料：包括高官能团环氧复合材料、环氧/酚醛复合材料；酚醛树脂复合材料：包括低压酚醛复合材料、高压酚醛复合材料、改性酚醛复合材料、环氧酚醛复合材料；不饱和聚酯基复合材料；双马来酰亚胺基复合材料；脲醛基复合材料；聚氨酯基复合材料；热固型聚酰亚胺基复合材料；三聚氰胺基复合材料以及有机硅基复合材料等等。 2）由热塑性树脂合成的复合材料主要有：聚苯硫醚基复合材料、聚醚醚酮基复合材料、聚醚酮酮基复合材料、聚醚酮复合材料、聚砜基复合材料、热塑性聚酰亚胺基复合材料、聚醚酰亚胺基复合材料、聚甲醛基复合材料、聚丙烯基复合材料、聚四氟乙烯基复合材料、聚碳酸酯基复合材料、聚苯并咪唑基复合材料以及聚喹恶啉基复合材料等等。3.2 树脂基复合材料的应用树脂基复合材料作为复合材料中的一类，其应用非常之广泛，足迹遍布生产、生活中的每一个角落。航空、航天、军事、海洋、化工、建筑、医疗、交通等行业能得以扩大再发展，树脂基复合材料可谓功不可没。以下我们简单从几方面予以介绍。3.1.1 树脂基复合材料在交通运输与能源工业中的应用 树脂基复合材料在交通运输与能源工业方面的应用包括：基础设施中的公路安全设施、道路、桥梁及站场等；汽车制造工业中的各种汽车配件，如车身外壳、传动轴、制动件及车内座椅、地板等：摩托车和自行车制造工业中的车身构件、车轮等；铁路工业中的牵引机车，各种车辆（客车、货车、冷藏车、贮罐车等）；铁路通讯设施；桥梁及道路建设及修补；各种制动件；水上交通中的各种中小船身壳体； 大小船上舾装件；港口及航道设施；飞机制造工业中的各种复合材料制件桨叶、机翼、内部设施等；围绕航空运输工业中的机场建设等；火力发电工业方面的通风系统，排煤灰渣管道，循环水冷却系统，屋顶轴流风机、电缆保护设施、电绝缘制品等；水力发电工业中的电站建设，大坝和隧道中防冲、耐磨、防冻、耐腐蚀过水面的保护；阀门；发电和输电中的各种电绝缘制品等；在新能源方面，树脂基复合材料风力发电机叶片、电杆及电绝缘制品等。3.1.2 树脂基复合材料在国防、军工及航空航天领域中的应用 复合材料以其典型的轻量特性、卓越的比强度、比模量、独特的耐烧蚀和隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等受到军方青睐，在实现武器系统轻量化、快速反应能力、高威力、大射程、精确打击、高自下而上力方面起着巨大作用。随着我国复合材料技术和应用技术水平的提高，复合材料在兵器上的应用范围越来越大。如芳纶纤维增强复合材料已用于主战坦克的首上装甲和炮塔复合装甲；玻璃纤维增强复合材料用于反坦克导弹的战斗部壳体、尾翼座、发动机壳体以及火箭弹的喷管等。90年代复合材料在兵器上应用进入了一个新时代，高强度玻纤增强树脂复合材料用于多管远程火箭弹和空空导弹的结构材料和烧蚀-隔热材料，使金属喷管达到了塑料化，烧蚀-隔热-结构多功能化，实现了喷管收敛段、扩张段和尾翼架多部件一体化，大大减轻武器的重量，提高了战术性能，简化了工艺，降低了成本。飞机、直升飞机种结构部件；地面雷达罩、机载雷达罩、舰载雷达罩以及车载雷达罩等；人造卫星、太空站和天地往返运输系统等方面。3.1.3 树脂基复合材料在建筑工业中的应用随着建筑工业的迅速发展，复合材料越来越多地被用于建筑工程：承载结构：用作承载结构的复合材料建筑制品有：柱、桁架、梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等，这些复合材料构件，主要用于化学腐蚀厂房的承重结构、高层建筑及全玻璃钢-复合材料楼房大板结构；围护结构：复合材料围护结构制品有各种波纹板、夹层结构板，各种不同材料复合板，整体式和装配式折板结构和壳体结构。用作壳体结构的板材，它既是围护结构，又是承重结构。这些构件可用作工业及民用建筑的外墙板、隔墙板、防腐楼板、屋顶结构、遮阳板、天花板、薄壳结构和折板结构的组装构件；采光制品 透光建筑制品有透明波形板、半透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩等，主要用于工业厂房、民用建筑、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶及围扩墙面采光等；门窗装饰材料：属于此类材料制品有门窗断面复合材料拉挤型材、平板、浮雕板、复合板等，一般窗框型材用树脂玻璃钢。复合材料门窗防水、隔热、耐化学腐蚀。用于工业及民用建筑，装饰板用作墙裙、吊顶、大型浮雕等；给排水工程材料 市政建设中给水、排水及污水处理工程中已大量使用复合材料制品，如各种规格的给水玻璃钢管、高位水箱、化粪池、防腐排污管等；卫生洁具材料 属于此类产品的有浴盆、洗面盆、坐便盆，各种整体式、组装式卫生间等，广泛用于各类建筑的卫生工程和各种卫生间；采暖通风材料 属此类复合材料制品有冷却塔、管道、板材、栅板、风机、叶片及整体成型的采暖通风制品。工程上应用的中央空调系统中的通风厨、送风管、排气管、防腐风机罩等；高层楼房屋顶建筑 如旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、楼房加高、球形屋盖、屋顶花园、屋顶游泳池、广告牌和广告物等；特殊建筑 大跨度飞机库、各种尺寸的冷库、活动房屋、岗亭、仿古建筑、移动剧院、透微波塔楼、屏蔽房、防腐车间、水工建筑、防浪堤、太阳能房、充气建筑等；其它 复合材料在建筑中的其它用途还很多，如各种家具、马路上的阴井盖、公园和运动场座椅、海滨浴场活动更衣室、公园仿古凉亭等。 4 树脂基复合材料的发展据有关部门的统计，全世界树脂基复合材料制品共有4万多种，全球仅纤维增强复合材料产量目前达到750多万t，从业约45万人，年产值415亿欧元，其生产能力与市场分布情况为：北美32%、亚太地区35%、欧洲30%、其他地区3% 2 。目前，全世界高性能树脂基复合材料的产量超过300万t，高性能热塑性复合材料的产量为120多万t，其应用领域主要为：汽车行业占23%、建筑业21%、航空业17%、体育运动领域11% 3 。从全球发展趋势来看，近几年欧美复合材料生产均持续增长，亚洲的日本发展缓慢，而中国特别是中国内地的市场发展迅速。我国树脂基复合材料研究，经过多年的发展，在生产技术、产品种类、生产规模等方面迈过了由小到大的台阶，产量已经仅次于美国，居世界第2位，其市场分布为：建筑40%、管罐24%、工业器材12%、交通6%、船艇4%、其他14% 4-6 。 尽管如此，我国的化工工业对于发展我国先进树脂基合材料担负着光荣而艰巨的任务，原来的基础不厚，加上国外在这方而的发展步子很大，如何赶上去，缩短差距，是一个十分紧迫需要解决的问题。我国高性能树脂基复合材料发展水平不高，所采用的基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等。这些都有待我们的发现和解决，以促进树脂基复合材料的发展。 另外，工艺方面的研究值得寄于严重的注意，在西方国家，制造工艺占有十分重要的地位，复合材料在航空航天工业，汽车工业、船舶和其它工业领域中的应用是推动复合材料发展的强大动力，但是必须指出.复合材料的制造工艺是高度技术性的工作，非凭原有的经验可以应付的，需要高素质的技木人员和技术工人，这些人员需要通过不同层次的培训和训练，按照目前的我国的经济体制，要发展跨行业，跨部门的科学技木，常常全遇到人为的困难，必须通过改革去找到出路，西方国家已经认识到国际合作是成功秘诀，过去35年内，一些大公司，如BASF.DuPont以及Her。ules英国石油公司，可为用户提供基本化学材料到最终零部件的完整系统，但是其中有很多是外国的先进技术，.采用这些外国技术可以增加竞争能力，同时也有助于开辟国外市场。总结： 树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于各个领域中，已经成为许多领域不可或缺的关键材料之一。因此，树脂基复合材料具有在未来持续发展的潜力。众所周知，当前人类社会为三大问题所困扰，人口膨胀、资源匮乏、环境污染。作为复合材料巟业者必须致力杜绝生产中废气、废液、废渣的产生。我们必须遵循有关的标准与法规。如：我国国际工业企业卫生设计标准(GBZ1)规定车间空气中苯乙烯最高允许浓度40毫克/立方米；粉尘污染物浓度小亍10毫克/立方米；国标大气污染物综合排放标准(GB16297)具体规定了有机气体排放浓度的要求。今后我国复合材料行业必须立足自主创新，重点开发环保、可再生能源、建筑、化工防腐、交通(含陆地车辆、船舶、航空航天)等领域的产品与市场。企业要成为科研